Оценка скорости горения горючих смесей при переменных давлениях и температурах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 «НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НГУ)»

Механико-математический факультет

Кафедра гидродинамики

Выпускная квалификационная работа

Магистерская диссертация

ОЦЕНКА СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ

Новосибирск 2012

Содержание

Введение  3

Глава 1. Классическая теория волновых процессов в горючих смесях. 5

1.1.     Классическая теория детонации и горения. 6

1.2.     Взгляд на горение со стороны детонации и зависимость скорости горения от давления и температуры. 11

Глава 2. Особенности горения реальных смесей. 13

2.1.     Зависимость скорости горения от давления и температуры в реальных смесях. 14

2.2.     Поверхности скоростей горения. 16

2.3.     Проверка выполнения определяющего соотношения между скоростями горения и детонации Чепмена-Жуге в реальных смесях. 21

Заключение. 23

Список литературы.. 24

Введение

В настоящее время в промышленности особую значимость приобретают вопросы, связанные с обеспечением пожаро- и взрывобезопасности предприятий. Особо актуальны эти вопросы в добывающих отраслях индустрии, связанных с добычей горючих полезных ископаемых таких как нефть, газ, уголь. Так в шахтах хорошо известны случаи взрыва метана, скапливающегося в забоях, что часто приводит к гибели шахтёров. Подобные явления стимулируют всесторонне исследовать нестационарные процессы горения и детонации в химически активных смесях с целью создания эффективных систем пожаротушения и предупреждения взрывов.

На данный момент выделяют несколько базовых режимов распространения пламени в химически активных смесях, характеризующиеся определённым набором параметров, из которых определяющим и практически значимым является скорость распространения пламени:

·  ламинарное горение – определяется процессами диффузии и теплопроводности, скорость пламени ~сантиметров в секунду;

·  турбулентное горение – характеризуется сильным искривлением фронта горения, вращением, скорость пламени до 100 метров в секунду;

·  ускоряющиеся пламена – до околозвуковых скоростей;

·  переход горения в детонацию – сверхзвуковые скорости (500-700 м/с);

·  детонация – скорости фронта свыше километра в секунду.

На практике для подавления пожаров и взрывов значимость имеют переходные режимы ускорения пламени и перехода горения в детонацию.

Физические причины ускорения низкоскоростного ламинарного пламени до высоких трансзвуковых скоростей вплоть до перехода горения в детонацию (ПГД) остаются до сих пор дискуссионными. Развитие моделей турбулентности, как одного из важнейших механизмов ускорения пламени, идет по пути учета новых факторов и усложнения процедур усреднения, однако вплоть до настоящего времени использование подобных моделей для описания ПГД дает лишь качественное согласие с экспериментальными данными.

Нормальная скорость ламинарного горения определяется процессами диффузии и теплопроводности и для корректного их моделирования необходимо иметь информацию о зависимости этих коэффициентов от параметров среды, постоянно меняющихся в процессе ускорения пламени. Очевидно, что для корректного математического моделирования процесса ускорения пламени после его воспламенения необходимы не только физически обоснованные модели турбулизации течения, но и корректные в широком диапазоне изменения основных газодинамических параметров в зависимости от всех основных коэффициентов, определяющих развитие процесса.

Данная работа является одним из шагов в приближении к пониманию нестационарных процессов горения и перехода горения в детонацию.

Глава 1.  Классическая теория волновых процессов в горючих смесях

Зависимость скорости горения от давления и температуры является определяющей в задаче об ускорении пламени и ПГД. На данный момент недостаточно достоверных экспериментальных данных о скоростях горения в зависимости от давления и температуры, особенно необходимых для моделирования динамики перехода  горения в детонацию.

До сих пор традиционно зависимость скорости пламени D от давления P и температуры T задается в виде эмпирического соотношения (с большой степенью неопределённости)

                                         ,                                         (1)

где  индексом 00 отмечены значения параметров при некотором стандартном состоянии, а показатели n и m определяются на основе экспериментальных данных [1].